CN110689216A - 一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元jit节能生产优化方法 - Google Patents

一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元jit节能生产优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以最小化能耗和实现准时制（JIT）为优化目标，实现机器人装配单元多个订单混合产品生产，并利用混合果蝇算法进行优化的解决方法。其具体实施过程为：针对多个含有混合产品的待装配订单需要在机器人装配单元内完成节能准时制生产调度优化问题，采用多个订单产品混合生产方案，制定动态双层双序列编码规则，并利用反向调度实现订单准时化生产，最后利用改进嗅觉视觉搜索的混合果蝇算法，对机器人装配单元JIT节能生产调度问题进行优化求解。本发明能为机器人装配单元多个订单混合产品生产调度优化问题提供一种有效的解决方法，改善由于订单交货延迟带来的企业信誉问题，同时减少车间能耗并节约库存成本。

Description

一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化 方法
技术领域
本发明涉及调度问题领域，更具体地，涉及一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT 节能生产优化方法。
背景技术
绿色节能发展已成为大势所趋，潮流所向，制造业的能耗所占的比重使得各制造企业在 不断寻求更有效的节能方案。同时，本田公司提出的“准时制”生产模式较之前传统的生产 模式更加高效且成本更低。但是目前鲜有在机器人装配单元中同时考虑节能和准时制的调度 生产的研究，而同时也考虑多个订单混合产品在机器人装配单元中生产的研究几乎没有。因 此不管是产业界还是学术界，机器人装配单元中多个订单混合产品JIT节能生产已经成为急 需解决的问题，迫切地需要一种专门的解决方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在公开一种机器人装配单元调度优化方法，尤指一种基于 混合果蝇算法的机器人装配单元中多个订单混合产品准时化节能生产问题的调度优化方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案主要包括以下过程：
步骤1、针对有m个具有不同交货期TDi的订单{O1，O2，...，Oi，...，Om}，每个订单中均含 有不同批量的n种类型产品{P1，P2，...，Pj，...，Pn}，且每种产品含有s个装配或搬运操作 {OP1，OP2，...，OPo，...，OPs}，所有订单产品的操作均在机器人装配单元内由机器人r完成生产 的调度问题，构建以能耗最小化和实现准时制为优化目标的评价函数，其中机器人装配单元 中包含机器人，装配台，工件库，输入传送带和输出传送带；
能耗最小化是指在完成所有订单任务后，机器人总能耗的平均值最小，其中每台机器人 执行某产品操作的总能耗为该机器人执行该产品操作的单位时间能耗及其执行时间的乘积， 评价函数为：其中，Nij指i订单中j类型产品 的数目，Tjor指j产品的o操作在机器人r上的执行时间，Ejor指j产品的o操作在机器人r 上执行的单位时间能耗，R指机器人总数；
实现准时制是指每个订单在其交货期完工的前提下，即所有订单交货期与其释放时间差 值的平均值最小，即使每个订单的施放时间尽可能延迟。
步骤2、制定动态双层双序列编码规则，对不同订单中不同产品的不同操作及其所选机 器分别进行编码；
双层双序列是指编码中包含序列一和序列二，每个序列又包含机器人装配任务序列和机 器人选择序列，其中，序列一指多个订单混合产品在机器人装配单元中的任务执行序列，序 列二是序列一的子序列，指序列一中的当前订单任务序列和上个订单在其交货期前未进行解 码的任务序列；
当待解码的订单变化时，序列二也随之动态更新变化，动态过程具体如下：
1)将所有订单产品的操作任务在序列一中进行编码，其中编码包括机器人装配任务序 列编码和机器人选择序列编码，机器人装配序列包含订单编号、产品类型、各类型产品数目 编号和各产品当前操作数这4个编码信息，机器人选择序列包含当前操作所选择的机器人， 其中产品类型j、该产品操作数o和执行机器r确定执行任务的操作时间和单位时间能耗；
2)将当前待解码订单的任务序列从序列一复制到序列二，且保持任务顺序不变，待当 前订单阶段完成，再将当前订单未完成任务和交货期更早的下个订单任务序列从序列一复制 到序列二，且保持任务在序列一中的顺序不变，完成序列二的一次更新，序列二在每次更换 待解码订单时发生一次变化更新，此动态过程循环进行直到所有订单任务完成解码。
步骤3、建立多个订单阶段依次解码的反向调度解码方案，基于这种解码方案对每个订 单阶段对应的操作序列依次进行解码；
多个订单阶段依次解码的反向调度解码方案具体为：
首先定义订单阶段为该订单交货期到更早订单交货期之间的过程，同时为了实现准时制 生产，设定每个订单阶段反向调度解码的起点为该订单交货期，然后根据订单交货期越晚则 越早解码的规则，确定订单解码的先后顺序，其次根据订单解码顺序，将最早解码的订单操 作任务从序列一复制到序列二，并保持在序列一的顺序不变，根据序列二的机器人装配任务 序列和机器人选择序列，从该订单交货期这一时刻开始以反向调度的方式进行解码操作，直 至下个待解码订单交货期，该订单阶段结束，同时删除序列二中在该订单阶段已完成的操作 任务，接着进行下个订单阶段的任务解码：将当前序列二的剩余操作和当前待解码订单的操 作任务重新更新至序列二，保持所有操作任务在序列一中的顺序不变，同样从当前订单交货 期开始，以反向调度的方式完成当前订单阶段的解码，以此解码过程在每个订单阶段依次进 行，直至所有订单任务完成解码。
步骤4、针对机器人装配任务序列，采用随机插入操作，针对机器人选择序列，采用机 器重分配操作，基于这两种操作对混合果蝇算法的嗅觉搜索进行改进；
随机插入操作：在嗅觉搜索阶段，针对序列一的机器人装配任务序列执行随迭代次数增 加，执行次数相应减少的随机插入操作，即在机器人装配任务序列中随机选取一个操作，并 将其随机插入到序列中另一个位置，该随机插入操作在每次迭代中连续执行多次，但随着迭 代次数的增加，执行次数相应减少；
机器重分配操作：在嗅觉搜索阶段，针对序列一的机器人选择序列，首先随机选择某一 订单的某类型产品，然后为该订单该类型产品的所有操作重新分配一个可选机器。
步骤5、采用非支配分层方法，对混合果蝇算法的视觉搜索进行改进；
根据更好的个体有更大机会遗传给下一代的原则，在种群中选择一定数目个体作为下次 迭代的种群中心，非支配分层方法具体操作为：①对种群中的所有果蝇个体进行非支配排序 分层，②根据公式
Figure BDA0002154257950000031
rk为当前层数，Rank为总层数，计算每层被选中的概率，③使 用轮盘赌的方式选择一个层，在该层中随机选择一个个体作为一个种群中心，反复执行多次， 直至选出所有种群中心。
步骤6、针对机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，针对机器人选择序列， 采用分布估计算法中概率模型更新操作的方法，实现全局协作搜索；
上述全局协作搜索操作，具体分为两个部分：
第一部分，首先从所有个体中随机选择两个父代个体，然后针对这两个父代个体序列一 的机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，该操作具体为，随机选择某一订单的 某类型产品，复制父代序列中包含选定订单产品的操作到各自子代中，保持它们的位置和顺 序，再将父代序列中不包含选定订单产品的操作复制到彼此子代中，保持它们的顺序；
第二部分，针对这两个父代个体序列一的机器人选择序列，运用分布估计算法的概率模 型
Figure BDA0002154257950000032
对所选机器进行更新；
其中α∈(0，1)为学习速率，
Figure BDA0002154257950000033
是算法的第g次迭代中第z个精英解的机器分配向量对应的示性函数，定义为：
Figure BDA0002154257950000034
OPOijko指第i个订单中第k个j产品的第o个操作；
最后通过对两个父代个体执行上述交叉操作和分布估计算法概率模型更新操作，得到两 个新子代个体。
步骤7、通过步骤4-6得到的改进的嗅觉搜索、视觉搜索和全局协作搜索，构建混合果 蝇算法，并用该混合果蝇算法对机器人装配单元混合产品JIT节能生产调度问题进行优化求 解；
对种群中心进行嗅觉搜索形成新种群，然后对新种群执行基于非支配分层的视觉搜索以 更新种群中心，将新种群的前沿解作为精英解集，在新种群中随机选择个体执行基于领域的 全局协作搜索，更新精英解集，以此方法构建兼具全局探索和局部开发功能的混合果蝇算法， 并用该混合果蝇算法对机器人装配单元混合产品JIT节能生产调度问题进行优化求解。
附图说明
图1是采用混合果蝇算法优化求解多目标调度问题模型的流程图；
具体实施方式
下面以一个机器人装配单元案例来详细说明本发明的具体实施方式：
本发明针对以能耗最小化和实现准时制生产为优化目标，具有混合产品的多个订单在机 器人装配单元中生产的调度优化问题，设计动态双层双序列方式编码，建立多个订单阶段依 次解码的反向调度解码方案，对混合果蝇算法的嗅觉搜索和视觉搜索进行改进，同时在混合 果蝇算法中加入全局协作搜索，最后构建混合果蝇算法，并利用该算法解决机器人装配单元 多个订单混合产品的JIT节能生产优化问题。
其具体实施过程为：
步骤1、针对有m个具有不同交货期TDi的订单{O1，O2，...，Oi，...，Om}，每个订单中均含 有不同批量的n种类型产品{P1，P2，...，Pj，...，Pn}，且每种产品含有s个装配或搬运操作 {OP1，OP2，...，OPo，...，OPs}，所有订单产品的操作均在机器人装配单元内由机器人r完成生产 的调度问题，构建以最小化能耗和实现准时制为优化目标的评价函数，其中机器人装配单元 中包含机器人，装配台，工件库，输入传送带和输出传送带；
能耗最小化是指在完成所有订单任务后，机器人总能耗的平均值最小，其中每台机器人 执行某产品操作的总能耗为该机器人执行该产品操作的单位时间能耗及其执行时间的乘积， 评价函数为：其中，Nij指i订单中j类型产品 的数目，Tjor指j产品的o操作在机器人r上的执行时间，Ejor指j产品的o操作在机器人r 上执行的单位时间能耗，R指机器人总数；
实现准时制是指每个订单在其交货期完工的前提下，即所有订单交货期与其释放时间差 值的平均值最小，即使每个订单的施放时间尽可能延迟。
步骤2、制定动态双层双序列编码规则，对不同订单中不同产品的不同操作及其所选机 器分别进行编码；
双层双序列是指编码中包含序列一和序列二，每个序列又包含机器人装配任务序列和机 器人选择序列，其中，序列一指多个订单混合产品在机器人装配单元中的任务执行序列，序 列二是序列一的子序列，指序列一中的当前订单任务序列和上个订单在其交货期前未进行解 码的任务序列；
当待解码的订单变化时，序列二也随之动态更新变化，动态过程具体如下：
1)将所有订单产品的操作任务在序列一中进行编码，其中编码包括机器人装配任务序 列编码和机器人选择序列编码，机器人装配序列包含订单编号i、产品类型j、各类型产品数 目编号k和各产品当前操作数o这4个编码信息，机器人选择序列包含当前操作所选择的机 器人r，其中产品类型j、该产品操作数o和执行机器r确定执行任务的操作时间和单位时间 能耗；
2)将当前待解码订单的任务序列从序列一复制到序列二，且保持任务顺序不变，待当 前订单阶段完成，再将当前订单未完成任务和交货期更早的下个订单任务序列从序列一复制 到序列二，且保持任务在序列一中的顺序不变，完成序列二的一次更新，序列二在每次更换 待解码订单时发生一次变化更新，此动态过程循环进行直到所有订单任务完成解码。
步骤3、建立多个订单阶段依次解码的反向调度解码方案，基于这种解码方案对每个订 单阶段对应的操作序列依次进行解码；
首先定义订单阶段为该订单交货期到更早订单交货期之间的过程，同时为了实现准时制 生产，设定每个订单阶段反向调度解码的起点为该订单交货期，然后根据订单交货期越晚则 越早解码的规则，确定订单解码的先后顺序，接着根据订单解码顺序，以反向调度方式，依 次实现每个订单在其订单阶段的解码，最终完成多个订单任务执行序列，即序列一的解码。
步骤4、针对机器人装配任务序列，采用随机插入操作，针对机器人选择序列，采用机 器重分配操作，基于这两种操作对混合果蝇算法的嗅觉搜索进行改进；
随机插入操作Insert(g)：在嗅觉搜索阶段，针对序列一的机器人装配任务序列执行随迭 代次数增加，执行次数相应减少的随机插入操作，即在机器人装配任务序列中随机选取一个 操作OPOijko，并将其随机插入到序列中另一个位置，该随机插入操作在每次迭代中连续执 行多次，但随着迭代次数g的增加，执行次数相应减少；
机器重分配操作Reassign(i,j)：在嗅觉搜索阶段，针对序列一的机器人选择序列，首先 随机选择某一订单的某类型产品，然后为该订单该类型产品的所有操作重新分配一个可选机 器。
步骤5、采用非支配分层方法，对混合果蝇算法的视觉搜索进行改进；
根据更好的个体有更大机会遗传给下一代的原则，在种群中选择一定数目个体作为下次 迭代的种群中心，非支配分层方法具体操作为：①对种群中的所有果蝇个体进行非支配排序 分层，②根据公式
Figure BDA0002154257950000061
rk为当前层数，Rank为总层数，计算每层被选中的概率，③使 用轮盘赌的方式选择一个层，在该层中随机选择一个个体作为一个种群中心，反复执行多次， 直至选出所有种群中心。
步骤6、针对机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，针对机器人选择序列， 采用分布估计算法中概率模型更新操作的方法，实现全局协作搜索；
上述全局协作搜索操作，具体分为两个部分：
第一部分，首先从所有个体中随机选择两个父代个体，然后针对这两个父代个体序列一 的机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，该操作具体为，随机选择某一订单的 某类型产品，复制父代序列中包含选定订单产品的操作到各自子代中，保持它们的位置和顺 序，再将父代序列中不包含选定订单产品的操作复制到彼此子代中，保持它们的顺序；
第二部分，针对这两个父代个体序列一的机器人选择序列，运用分布估计算法的概率模 型对所选的机器进行更新，以加强操作任务与机器之间的匹配程度，具体为：
采用均匀分布初始化概率模型，即
Figure BDA0002154257950000062
其中 CR为OPOijko可行机器的数目；
利用精英解更新概率模型的方式更新机器，更新的概率矩阵满足公式：
Figure BDA0002154257950000063
其中α∈(0，1)为学习速率，
Figure BDA0002154257950000064
是算法的第g次迭代中第z个精英解的机器分配向量对应的示性函数，定义为：
Figure BDA0002154257950000065
OPOijko指第i个订单中第k个j产品的第o个操作；
最后通过对两个父代个体执行上述交叉操作和分布估计算法概率模型更新操作，得到两 个新子代个体。
步骤7、通过步骤4-6得到的改进的嗅觉搜索、视觉搜索和全局协作搜索，构建混合果 蝇算法，并用该混合果蝇算法对机器人装配单元混合产品JIT节能生产调度问题进行优化求 解；
混合果蝇算法的具体过程，参考图1，如下：
S1、初始化混合果蝇算法的参数：种群大小N，每个种群的个体数S，最大迭代次数Gen，u，η，α；
S2、初始化N个果蝇个体和精英解集P；
S3、嗅觉搜索：将N个果蝇作为N个种群中心，并通过嗅觉搜索使每个种群中心产生S个果蝇个体，形成新种群；
S4、根据非支配分层方法的反向调度解码方案，利用评价函数对种群中每个个体进行适 应度值计算：
S5、对种群个体进行非支配排序，求解出Pareto前沿解，并利用Pareto前沿解更新精英 解集P；
S6、利用视觉搜索选出N个果蝇个体更新种群中心；
S7、全局协作搜索：依次从新种群中任意选择两个父代个体，执行全局协作搜索，直至 产生N个新个体；
S8、对N个新个体和精英解集中的个体进行非支配排序，将前沿解更新到精英解集P；
S9、迭代次数增加1，如果小于最大迭代次数，则转至S3，否则转至S10；
S10、输出精英解集P。

Claims (8)

1.一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于以下几个步骤：
步骤1、针对在机器人装配单元中的多订单、多产品混合生产调度问题，构建以能耗最小化和实现准时制为优化目标的评价函数，能耗最小化是指所有订单任务完成后，机器人总能耗的平均值最小，其中每台机器人执行某产品操作的总能耗为该机器人执行该产品操作的单位时间能耗及其执行时间的乘积，实现准时制是指每个订单在其交货期完工的前提下，所有订单交货期与其释放时间差值的平均值最小，以使得每个订单的释放时间尽可能延迟；
步骤2、制定动态双层双序列编码规则，对不同订单中不同产品的不同操作及其所选机器分别进行编码；
步骤3、建立多个订单阶段依次解码的反向调度解码方案，基于这种解码方案对每个订单阶段对应的操作序列依次进行解码；
步骤4、针对机器人装配任务序列，采用随机插入操作，针对机器人选择序列，采用机器重分配操作，基于这两种操作对混合果蝇算法的嗅觉搜索进行改进；
步骤5、采用非支配分层方法，对混合果蝇算法的视觉搜索进行改进；
步骤6、针对机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，针对机器人选择序列，采用分布估计算法中概率模型更新操作的方法，实现全局协作搜索；
步骤7、通过步骤4-6得到的改进嗅觉搜索、视觉搜索和全局协作搜索，构建混合果蝇算法，并用该混合果蝇算法对机器人装配单元混合产品JIT节能生产调度问题进行优化求解。
2.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤2的动态双层双序列编码具体方法为：双层双序列是指编码中包含序列一和序列二，每个序列又包含机器人装配任务序列和机器人选择序列，其中，序列一指所有订单混合产品在机器人装配单元中的任务执行序列，序列二是序列一的子序列，指序列一中的当前订单任务序列和上个订单在其交货期前未进行解码的任务序列；当待解码的订单变化时，序列二也随之动态更新变化，动态过程具体如下：①首先，将所有订单产品的操作任务在序列一中进行编码，其中编码过程包括机器人装配任务序列编码和机器人选择序列编码，机器人装配序列包含订单编号、产品类型、各类型产品数目编号和各产品当前操作数这4个编码信息，机器人选择序列包含当前操作所选择的机器人，其中产品类型、该产品操作数和执行机器确定执行任务的操作时间和单位时间能耗；②然后，将当前待解码订单的任务序列从序列一复制到序列二，且保持任务顺序不变，待当前订单阶段完成，再将当前订单未完成任务和交货期更早的下个订单任务序列从序列一复制到序列二，且保持任务在序列一中的顺序不变，完成序列二的一次更新，序列二在每次更换待解码订单时发生一次变化更新，此动态过程循环进行直到所有订单任务完成解码。
3.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，步骤3所述的多个订单阶段依次解码的反向调度解码方案为：首先定义订单阶段为订单交货期到更早订单交货期之间的过程，同时为了实现准时制生产，设定每个订单阶段反向调度解码的起点为该订单交货期，然后根据订单交货期越晚则越早解码的规则，确定订单解码的先后顺序，接着根据订单解码顺序，以反向调度方式，依次实现每个订单在其订单阶段的解码，最终完成多个订单任务执行序列，即序列一的解码。
4.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤4的随机插入操作为：在嗅觉搜索阶段，对序列一的机器人装配任务序列执行动态的随机插入操作，即在机器人装配任务序列中随机选取一个操作，并将其随机插入到序列中另一个位置，该随机插入操作在每次迭代中连续执行多次，但随着迭代次数的增加，执行次数相应减少。
5.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤4的机器重分配操作为：在嗅觉搜索阶段，针对序列一的机器人选择序列，首先随机选择某一订单的某类型产品，然后为该订单该类型产品的所有操作重新分配一个可选机器。
6.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤5的非支配分层的方法为：根据更好的个体有更大机会遗传给下一代的原则，在种群中选择一定数目个体作为下次迭代的种群中心，具体为：①对种群中的所有果蝇个体进行非支配排序分层，②根据公式
Figure FDA0002154257940000021
rk为当前层数，Rank为总层数，计算每层被选中的概率，③使用轮盘赌的方式选择一个层，在该层中随机选择一个个体作为一个种群中心，反复执行多次，直至选出所有种群中心。
7.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤6的全局协作搜索，分为两个部分：第一部分，首先从所有个体中随机选择两个父代个体，然后针对这两个父代个体序列一的机器人装配任务序列，执行改进的POX交叉操作，该操作具体为，随机选择某一订单的某类型产品，复制父代序列中包含选定订单产品的操作到各自子代中，保持它们的位置和顺序，再将父代序列中不包含选定订单产品的操作复制到彼此子代中，保持它们的顺序；第二部分，针对这两个父代个体序列一的机器人选择序列，运用分布估计算法的概率模型方式对所选机器进行更新。
8.根据权利要求1中所述的一种基于混合果蝇算法的机器人装配单元JIT节能生产优化方法，其特征在于，所述步骤7的混合果蝇算法为：对种群中心进行嗅觉搜索形成新种群，然后对新种群执行基于非支配分层的视觉搜索以更新种群中心，将新种群的前沿解作为精英解集，在新种群中随机选择个体执行基于领域的全局协作搜索，更新精英解集，以此方法构建兼具全局探索和局部开发功能的混合果蝇算法，并用该混合果蝇算法对机器人装配单元混合产品JIT节能生产调度问题进行优化求解。
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